陳小磊

(上海大眾動(dòng)力總成有限公司 上海 201821)

0 引言

EA211系列發(fā)動(dòng)機(jī)使用的直噴技術(shù)由高壓油泵、燃油壓力傳感器、高壓燃油管、燃油共軌、噴油嘴、ECU等組成，由高壓油泵產(chǎn)生高壓并將壓力儲(chǔ)存于燃油共軌內(nèi)，通過(guò)燃油壓力傳感器讀取壓力值，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化，ECU控制噴油嘴針閥開(kāi)閉進(jìn)行缸內(nèi)直噴形成混合氣參與燃燒。該系列發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油直噴系統(tǒng)在C6排放改造項(xiàng)目中，壓力由原本的C5的200 bar提升至350 bar，所有相關(guān)零部件均適應(yīng)新的壓力需求提升了零件強(qiáng)度，其中燃油壓力共軌更是從原本的焊接件更新為一體式鑄造件，同時(shí)適配燃油壓力傳感器的螺紋由鋼制更改為黃銅制。燃油壓力傳感器在裝配擰緊過(guò)程中，一般采用終值扭矩?cái)Q緊法，使用擰緊槍等電動(dòng)擰緊設(shè)備實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。因共軌和壓力傳感器直接擰緊，共軌內(nèi)存在高壓燃油，是發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程的重要步驟，與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)批量項(xiàng)目階段的失效分析有助于消除發(fā)動(dòng)機(jī)批量投產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的零部件報(bào)廢，大幅降低經(jīng)濟(jì)損耗，提升產(chǎn)品穩(wěn)定性并保證新項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)的順利投產(chǎn)。

1 燃油共軌爛牙缺陷現(xiàn)狀調(diào)查

在C6項(xiàng)目的試制過(guò)程中，總計(jì)完成61臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，有近50%的問(wèn)題為擰緊過(guò)程的不可靠導(dǎo)致的裝配缺陷，其中產(chǎn)生了8例燃油共軌螺紋在擰緊燃油壓力傳感器過(guò)程中出現(xiàn)爛牙的缺陷(圖1)。

圖1 EA211發(fā)動(dòng)機(jī)燃油共軌螺紋爛牙率Fig.1 Failure rate of fuel common rail thread in EA211 engines

依次對(duì)8件缺陷進(jìn)行檢查，除1例為人為放置燃油壓力傳感器時(shí)因裝配錯(cuò)位引起的螺紋爛牙，其它均為燃油共軌黃銅端螺紋斷裂導(dǎo)致的爛牙，并最終導(dǎo)致擰緊失效。螺紋整體斷裂，嚴(yán)重時(shí)整段螺牙徹底脫落，斷裂螺牙無(wú)粘連現(xiàn)象，脫落后螺紋內(nèi)壁平整(圖2)。

圖2 燃油共軌螺紋斷裂Fig.2 Broken thread of fuel common rail

2 燃油共軌螺紋斷裂原因分析

發(fā)動(dòng)機(jī)C6排放標(biāo)準(zhǔn)改造項(xiàng)目中使用的燃油共軌為全新零部件，在安裝工藝上沿用C5批量投產(chǎn)的機(jī)型。首先使用大眾指定潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)燃油壓力傳感器頭部及螺紋進(jìn)行涂油操作，隨后手工將傳感器擰緊至無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后使用電動(dòng)擰緊槍通過(guò)終值扭矩法擰緊至35 Nm。根據(jù)大眾發(fā)動(dòng)機(jī)公司對(duì)于質(zhì)量和產(chǎn)品的要求，重視新產(chǎn)品導(dǎo)入過(guò)程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，從而達(dá)到批量生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品的質(zhì)量水平要求，而螺紋爛牙易引起不必要的返工和零件損失，作為關(guān)鍵零件的燃油壓力傳感器，必須在進(jìn)入批量投產(chǎn)之前解決問(wèn)題，整改期限要求緊張且必須行之有效，務(wù)必需要徹底消除因燃油共軌螺紋斷裂引起的失效模式；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該螺紋斷裂問(wèn)題約有1%的偶然因素。因此有：

目標(biāo)燃油共軌螺紋爛牙率理論值=13.1%-13.1%×87.5%×99%≈1.75%。

因果圖用于整理和展示引發(fā)某個(gè)問(wèn)題的多種原因之間的相互關(guān)系。通過(guò)一種結(jié)構(gòu)化的、系統(tǒng)化的方式，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以將注意力集中于某一特定問(wèn)題的可能原因。該工具有助于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)理清分析引發(fā)問(wèn)題的各種潛在原因的思路，使團(tuán)隊(duì)能夠更有效地找出真正的原因[1]。

這里使用因果圖來(lái)找出螺紋共軌斷裂的主要原因，以便采取有效措施和手段減少甚至消除該風(fēng)險(xiǎn)，減少不良率(圖3)。

圖3 因果圖Fig.3 Cause-Effect diagram

分析所有可能引起螺紋斷裂的原因：

對(duì)大眾動(dòng)力總成現(xiàn)場(chǎng)人員資質(zhì)及設(shè)備狀態(tài)的確認(rèn)，4名操作人員經(jīng)過(guò)正確額定培訓(xùn)且技能滿足上崗要求；現(xiàn)場(chǎng)擰緊步驟描述完整；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備點(diǎn)檢標(biāo)定確認(rèn)扭矩傳感器重復(fù)精度達(dá)到VDA6.3要求，排除潛在原因一、二、三。

對(duì)現(xiàn)存在庫(kù)零件現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)在庫(kù)56件燃油壓力傳感器和150件燃油共軌均符合大眾集團(tuán)VW01134，故燃油共軌螺紋或燃油壓力傳感有雜質(zhì)或縮孔為非要因，排除潛在原因四。

小組成員要求供應(yīng)商對(duì)現(xiàn)存在庫(kù)零件進(jìn)行抽樣檢查，所以30件燃油共軌黃銅螺紋端樣本硬度符合圖紙要求，硬度均在110HV1-160HV1之間，平均硬度為136.8HV1(圖4)，符合圖紙要求；10件燃油共軌黃銅螺紋端樣本牙型角符合圖紙要求，角度區(qū)間為59°-61°，螺紋規(guī)通過(guò)性良好，排除潛在原因五、六。

圖4 螺紋端黃銅維式硬度HV1直方圖Fig.4 Histogram about Vickers’ hardness HV1 of brass thread

小組成員在大眾動(dòng)力總成實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行工藝復(fù)核確認(rèn)，針對(duì)大眾集團(tuán)認(rèn)可的兩種不同的涂油位置進(jìn)行12組抽樣試驗(yàn)(表1)，發(fā)現(xiàn)兩種涂油位置對(duì)于最終擰緊狀態(tài)的無(wú)影響，同時(shí)12臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在整車或臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)功能性問(wèn)題，排除潛在原因七。

表1 涂油位置抽樣試驗(yàn)Table 1 Sampling test of lubricated position

按照大眾集團(tuán)螺紋連接的測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)VW01110-4進(jìn)行20組螺紋斷裂擰緊試驗(yàn)，使用現(xiàn)有擰緊工藝35 Nm，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)扭矩Ma，需要介于極限破壞扭矩Mlin的0.5～0.9倍之間，即0.5×Mlin≤Ma≤0.9×Mlin(圖5)，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果為20組螺紋中，有5組Ma>0.9×Mlin，由此可以認(rèn)為不合格螺紋斷裂是擰緊扭矩逼近燃油共軌螺紋承載上限所致，因此確定要因?yàn)闈撛谠虬恕?/p>

圖5 35 Nm下的螺紋斷裂擰緊試驗(yàn)示例Fig.5 Example of screw breaking tightening test in 35 Nm

對(duì)該擰緊過(guò)程按照大眾集團(tuán)螺紋連接的測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)VW01110-4進(jìn)行3類20組螺紋擰緊試驗(yàn)(表2)，在15-20 rpm下未發(fā)現(xiàn)斷裂，目前使用的25 rpm下發(fā)現(xiàn)1例斷裂現(xiàn)象。該工藝要求的轉(zhuǎn)速設(shè)置過(guò)高，導(dǎo)致其出現(xiàn)重復(fù)斷裂現(xiàn)象，因此確定要因?yàn)闈撛谠蚓拧?/p>

3 燃油共軌螺紋斷裂失效改進(jìn)

參考同規(guī)格共軌在德國(guó)1.5T evo上的扭矩設(shè)定，通過(guò)斷裂測(cè)試初步驗(yàn)證新扭矩?cái)Q緊方法(5 Nm+80 deg，終扭矩值22 Nm-30 Nm，20 rpm)并設(shè)計(jì)擰緊試驗(yàn)、密封性試驗(yàn)、剖面檢測(cè)和拆解試驗(yàn)驗(yàn)證零部件安裝穩(wěn)定性及功能性。

使用新的扭矩設(shè)定按照大眾集團(tuán)螺紋連接的測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)VW01110-4 進(jìn)行5組螺紋斷裂擰緊試驗(yàn)(圖6)，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)扭矩MI，需要介于極限破壞扭矩Mlin的0.65倍至屈服扭矩之間，即0.65×Mlin≤Ma≤M屈服，最終試驗(yàn)結(jié)果5組終值扭矩均符合0.65×Mlin≤MI≤M屈服，即擰緊斷裂扭矩符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 5 Nm+80°下的螺紋斷裂擰緊試驗(yàn)示例Fig.6 Example of screw breaking tightening test in 5 Nm+80°

使用擰緊機(jī)針對(duì)新的裝配扭矩過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證新工藝擰緊過(guò)程的穩(wěn)定性。試驗(yàn)總計(jì)進(jìn)行42組，通過(guò)對(duì)所有數(shù)據(jù)的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，在5 Nm+80°，轉(zhuǎn)速為20 rpm的工藝下，平均扭矩為25.7 Nm。所有試驗(yàn)組均未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，擰緊過(guò)程穩(wěn)定(圖7)。

圖7 裝配扭矩過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of assembly torque process

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度根據(jù)實(shí)際情況，一般分布在-20 ℃至120 ℃之間。取試驗(yàn)環(huán)境為分別為室溫和140 ℃，使用專用液壓密封測(cè)試設(shè)備驗(yàn)證新扭矩下零件的密封性能。密封設(shè)備輸入壓力500 bar，根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求，在該條件下泄漏速率均小于 0.5 bar/10 min，試驗(yàn)總計(jì)進(jìn)行42組，均布0.2 bar-0.4 bar，密封性能符合設(shè)計(jì)要求(圖8)。

圖8 密封性試驗(yàn)結(jié)果直方圖Fig.8 Histogram of sealing test results

經(jīng)過(guò)上述密封性實(shí)驗(yàn)中的14組進(jìn)行剖面分析，從圖9中可以看出，在50x放大倍率下傳感器和共軌左側(cè)結(jié)合面密封良好，無(wú)開(kāi)裂或鋸齒狀結(jié)合區(qū)域，未見(jiàn)明顯金屬間相互腐蝕的現(xiàn)象，右側(cè)狀態(tài)同左側(cè)，14組均呈現(xiàn)相似狀態(tài)(圖9)。

圖9 剖面分析示例Fig.9 Example of profile analysis

取剩余28組樣本進(jìn)行拆解試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)量，最終平均拆解扭矩為18.1 Nm，大約為初始安裝扭矩的70%(圖10)。拆解過(guò)程為發(fā)現(xiàn)異常，作為新工藝下返修及后續(xù)應(yīng)用的依據(jù)。

圖10 拆解試驗(yàn)結(jié)果直方圖Fig.10 Histogram of disassembly results

4 結(jié)論

根據(jù)上文提到的原因分析及改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在EA211系列C6排放標(biāo)準(zhǔn)改造的項(xiàng)目中，出現(xiàn)的燃油共軌螺紋爛牙風(fēng)險(xiǎn)主要由燃油共軌螺紋斷裂引起，其主要原因?yàn)閿Q緊扭矩過(guò)大，逼近燃油共軌螺紋承載上限，且擰緊轉(zhuǎn)速過(guò)高。通過(guò)使用新工藝5 Nm+80°，轉(zhuǎn)速為20 rpm替換原工藝35 Nm±10%，轉(zhuǎn)速為25 rpm，可以極大程度地消除EA211燃油共軌因螺紋斷裂引起的爛牙故障，可以有效降低故障風(fēng)險(xiǎn)及報(bào)廢零件成本。